TWI579533B - Absolute encoder devices and motors - Google Patents

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TWI579533B
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Masayuki Someya
Yoshio Hirasawa
Sakao Ozeki
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Oriental Motor Co Ltd
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Description

絕對編碼器裝置及馬達 發明領域
本發明係有關於一種絕對編碼器裝置及馬達。
發明背景
控制馬達旋轉之裝置可列舉如絕對編碼器裝置。絕對編碼器裝置可使用在馬達之旋轉方向、旋轉數、旋轉位置之檢測等。該絕對編碼器裝置係包括磁式與光學式。磁式比光學式廉價，且耐環境性優異。
磁式絕對編碼器裝置係一例子構成為將磁感測器與固定在旋轉軸的2極之永久磁石相對設置。作為磁感測器，已知的是使用屬於磁電阻效應元件的自旋閥型巨磁電阻效應元件(SV-GMR)者(例如參照專利文獻1)。SV-GMR型磁感測器係具有固定層及自由層，且固定層磁化方向固定，自由層磁化方向則按照外部磁場方向進行變化。利用由自由層與固定層所構成的電阻變化，當旋轉軸一旋轉時，輸出彼此相位不同之正弦波信號。然而，在將SV-GMR型磁感測器利用在旋轉檢測時，自由層磁化方向係按照外部磁場而旋轉，因此，欲使自由層之磁場完全地飽和，且不會對使用作為參照方向的固定層之磁化之方向或各層之結合(靜磁結合等)帶來影響者是不可能的。故，會構成藉由飽和磁場以下的外部磁場之動作，並限制電阻變化率。
又，其他磁感測器係包括：在屬於磁電阻效應元件的 異向性磁電阻效應元件(AMR)具備偏向磁石者(例如參照專利文獻2)。該AMR型磁感測器係參照方向之磁化之方向為安定的永久磁石之磁場，且由於屬於單層，因此，不會對各層之結合造成影響。然而，相較於SV-GMR型磁感測器，會有電阻變化率低等之問題。故，在僅使用2極之永久磁石之絕對編碼器裝置中，無論磁感測器之形式，皆難以獲得高解析力、高精度。
根據此種技術背景，作成藉由永久磁石等之構造而並非是感測器之種類以達成編碼器裝置之高解析力化、高精度化之裝置亦是已知的(例如參照專利文獻3及專利文獻4)。於專利文獻3之編碼器裝置中，於形成為圓板狀的旋轉基板之外周面設置旋轉位置檢測用磁鐵(PG磁鐵)，且於該旋轉基板之上面設置磁極位置檢測用磁鐵(極磁鐵)。又，於專利文獻4之編碼器裝置中，於圓板狀旋轉體之外周面形成業已多極充磁之第1磁軌，且於該圓板狀旋轉體之下面形成業已單極充磁之第2磁軌。依此，於專利文獻3及專利文獻4之裝置中，藉由組合2種磁圖案，相較於僅使用2極之永久磁石之絕對編碼器裝置，意圖獲得高解析力、高精度。
然而，於專利文獻3之裝置中，有別於支持可檢測來自磁極位置檢測用磁鐵之磁場的磁極位置檢測元件(霍爾元件)之基板，必須要有用以支持可檢測來自旋轉位置檢測用磁鐵之磁場的位置檢測元件(MR元件)之基板或支持構件。又，由於產生強磁場的磁極位置檢測用磁鐵係設置於旋轉基板之上面，因此，來自磁極位置檢測用磁鐵之磁場會對 旋轉位置檢測用磁鐵之磁場及檢測來自該磁鐵之磁場的位置檢測元件帶來影響。為了加以因應，於專利文獻3中，在磁極位置檢測用磁鐵與旋轉位置檢測用磁鐵間，設置有磁屏板作為額外構件。
於專利文獻4之編碼器裝置中，由於產生強磁場的第2磁軌係設置於圓板狀旋轉體之下面，因此，亦會構成來自第2磁軌之磁場對第1磁軌之磁場及檢測來自該第1磁軌之磁場的磁檢測元件帶來影響之結構。除此之外，有別於支持可檢測來自第2磁軌之磁場的磁檢測元件之基板，必須要有支持可檢測來自第1磁軌之磁場的磁檢測元件之支持構件。
依此，於專利文獻3及專利文獻4之裝置中，為了支持2個磁感測器，分別需要額外構件，且必須考慮與磁石之距離及彼此之感測器間之距離而組裝該額外構件，因此，必須有組裝時之調整，同時亦耗費成本。再者，由於將一者之磁圖案設置於圓板狀旋轉體之外周面，並將另一者之磁圖案設置於圓板狀旋轉體之上面或下面，因此，會有因磁圖案彼此之漏磁場所造成的干涉問題。為了加以解決而設置磁屏板時，會進一步地增加零件數，並增加組裝之困難性及成本。
又，於專利文獻3之裝置中，磁極位置檢測元件係構成為自來自磁極位置檢測用磁鐵之磁場，以平均一旋轉為數脈衝程度，檢測朝馬達之驅動用線圈之通電位置，且於專利文獻4之裝置中，檢測來自第2磁軌之磁場的磁檢測元件係構成為每一旋轉會輸出一次之索引信號，即，Z相信號。 為了使用此種輸出信號，並使專利文獻3及專利文獻4之裝置具有作為絕對編碼器裝置之機能，必須要有對於遞增之輸出信號的複雜之運算處理，且必須另外設置該運算處理用之構成構件，而該遞增之輸出信號係取得自可檢測來自旋轉位置檢測用磁鐵之磁場的位置檢測元件(專利文獻3)，以及可檢測來自第1磁軌之磁場的磁檢測元件(專利文獻4)。舉例言之，於專利文獻4之裝置中，在絕對規格中，為了保持必要之多旋轉資訊，會設置計數器與電池。又，為了使專利文獻4之裝置具有作為可檢測一旋轉以內之絕對位置的絕對編碼器裝置之機能，亦必須有計數器與電池。
先行技術文獻 專利文獻
〔專利文獻1〕日本專利公開公報特開1998-70325號公報
〔專利文獻2〕特開2006-208025號公報
〔專利文獻3〕特開2001-4405號公報
〔專利文獻4〕特開2004-144497號公報
發明概要
有鑑於前述，本發明之目的係提供一種可維持高解析力及高精度且組裝容易並可廉價地實現之絕對編碼器裝置及馬達。
本發明之一態樣係一種絕對編碼器裝置，且該絕對編 碼器裝置包含有：永久磁石，係具有由2極所構成的第1磁圖案及由多極所構成的第2磁圖案，並固定在旋轉軸者；第1磁感測器，係檢測前述第1磁圖案之磁場者；第2磁感測器，係檢測前述第2磁圖案之磁場者；信號處理電路，係自前述第1磁感測器之輸出信號，取得顯示前述旋轉軸之絕對角度位置之絕對角度信號，並自前述第2磁感測器之輸出信號，取得顯示前述旋轉軸之相對角度位置之相對角度信號，且自前述絕對角度信號與前述相對角度信號，算出前述旋轉軸之絕對旋轉角度者；及單一基板，係配置成與前述永久磁石對向，並固定前述第1及第2磁感測器與前述信號處理電路者；又，前述第1磁圖案係在形成於前述永久磁石之與前述基板對向之面上的凹部內側中，在朝與軸向相交之方向延伸之面上，沿著旋轉方向將不同的極性充磁而形成，且前述第2磁圖案係於前述永久磁石之外周面，沿著圓周方向將不同的極***互地充磁而形成。另，於說明書及申請專利範圍之揭示中，所謂「多極」係指4極以上。
舉例言之，前述第1磁感測器係構成為以可判別NS極之周期輸出相位不同之信號，前述第2磁感測器係構成為以不判別NS極之周期輸出相位不同之信號，又，按照前述第1及第2磁感測器之特性，選擇前述永久磁石與前述單一基板間之距離、及前述永久磁石之厚度。一例子係前述第1及第2磁感測器包含有藉由複數磁電阻效應元件所構成的橋接電路。其他例子係前述第1磁感測器藉由複數霍爾元件所構成。
前述單一基板係具有朝一方向延伸之齊平之平面，且前述第1及第2感測器係直接安裝於同一前述平面上，即，於基板與各感測器間無需透過其他支持構件而可進行安裝。
一例子係前述第1磁圖案形成為圓形狀，且前述第1磁感測器係配置於前述旋轉軸之軸線上。其他例子係前述第1磁圖案形成為環狀，且前述第1磁感測器係配置於偏離前述旋轉軸之軸線上之位置。另，於說明書及申請專利範圍之揭示中，所謂圓形狀亦包括在半圓形狀之N極部分與半圓形狀之S極部分間具有預定間隙的略呈圓形狀。同樣地，所謂環形狀亦包括在半環形狀之N極部分與半環形狀之S極部分間具有預定間隙的略呈環形狀。
亦可構成為於前述永久磁石之內側具有環狀之磁性體。本發明之其他態樣係具有前述絕對編碼器裝置之馬達，且前述旋轉軸為馬達之驅動機構。
於有關申請專利範圍第1項之發明中，檢測由2極所構成的第1磁圖案之磁場，以及由多極所構成的第2磁圖案之磁場，且除了獲得自第1磁圖案之絕對角度信號外，使用獲得自第2磁圖案之相對角度信號，藉此，實現編碼器裝置之高解析力化及高精度化。又，由於將第1磁圖案形成於永久磁石之凹部內側中朝與軸向相交之方向延伸之面上，並將第2磁圖案形成於永久磁石之外周面，因此，可減輕因磁圖案彼此之漏磁場所造成的干涉問題，且無需設置如磁屏般的額外構件。故，可達成組裝之容易化及成本減低。除此 之外，於申請專利範圍第1項之發明中，將第1及第2磁感測器與信號處理電路固定在單一基板。故，相較於為了支持第1及第2磁感測器與信號處理電路而使用複數基板或其他支持構件者，可更有助於組裝之容易化及成本減低。依此，藉由有關申請專利範圍第1項之發明，可實現能維持高解析力及高精度且組裝容易並可廉價地製造之絕對編碼器裝置。
於有關申請專利範圍第2項之發明中，構成為以可判別NS極之周期，自第1磁感測器輸出相位不同之信號，且以不判別NS極之周期，自第2磁感測器輸出相位不同之信號。故，由於可自第1磁感測器之相位不同之信號，取得絕對角度信號，並可自第2磁感測器之前述相位不同之信號，取得相對角度信號，因此，無需複雜之運算處理而可獲得旋轉軸之絕對旋轉角度。又，由於無需另外設置複雜之運算處理用之構成構件，因此，亦有助於裝置全體之小型化及成本之削減。
又，由於永久磁石與單一基板間之距離、及永久磁石之厚度可按照第1及第2磁感測器之特性來選擇，因此，無需變更第1及第2磁感測器於單一基板之固定位置，而可藉由調整永久磁石與單一基板間之距離，或是調整永久磁石之厚度，或者調整該兩者，而調整各感測器與永久磁石之位置關係，並獲得適合於各感測器之磁場強度。依此，於編碼器裝置之製造過程中，可實現組裝作業之更加容易化。
於有關申請專利範圍第3項之發明中，將第1及第2磁感測器直接安裝於單一基板之同一平面上。故，在將第1及第 2磁感測器固定在單一基板時，舉例言之，可進行利用安裝機(mounter)之機械式組裝，且可達成組裝之更加容易化。
有關申請專利範圍第4項之發明可應用在將永久磁石固定在旋轉軸之前端的結構之絕對編碼器裝置。有關申請專利範圍第5項之發明可應用在旋轉軸貫通型結構之絕對編碼器裝置。
於有關申請專利範圍第6項之發明中，可實現來自外部之雜散磁場強之結構。於有關申請專利範圍第7項之發明中，可實現具有應用有關申請專利範圍第1至6項之發明的絕對編碼器裝置之馬達。
圖式簡單說明
第1圖係有關第1實施形態之絕對編碼器裝置之截面圖。
第2圖係第1圖所示之絕對編碼器裝置之平面圖。
第3(a)圖係用以顯示有關第1實施形態之第1磁圖案的永久磁石之透視圖，第3(b)圖係用以顯示有關第1實施形態之第2磁圖案的永久磁石之立體圖。
第4圖係用以顯示磁石內部之反磁場的永久磁石之立體圖。
第5(a)圖係有關第1實施形態之第1磁感測器之結構圖，第5(b)圖係第5(a)圖所示之結構之等效電路圖。
第6(a)圖係相對於旋轉角，顯示第1磁感測器之輸出信號之波形圖，第6(b)圖係第1磁感測器之輸出信號之利薩如波形，第6(c)圖係顯示藉由反正切而自第1磁感測器之輸出信號獲得的角度值之圖表。
第7(a)圖係構成第2磁感測器的元件之結構圖，第7(b)圖係第7(a)圖所示之結構之等效電路圖。
第8圖係用以顯示第2磁感測器所檢測之磁場的永久磁石之立體圖。
第9(a)圖係用以說明第2磁感測器之檢測原理的永久磁石之平面圖，第9(b)圖係顯示第9(a)圖所示之各元件之輸出信號之波形圖。
第10圖係有關第1實施形態之第2磁感測器之結構圖。
第11(a)圖係顯示來自第2磁圖案之磁場與第2磁感測器之位置關係的絕對編碼器裝置之立體圖，第11(b)圖係顯示當第11(a)圖所示之永久磁石朝旋轉軸之軸向偏移時，來自第2磁圖案之磁場與第2磁感測器之位置關係的絕對編碼器裝置之立體圖。
第12圖係有關第1實施形態之信號處理電路之構造圖。
第13(a)圖係顯示來自第2磁感測器之輸出信號之波形圖，第13(b)圖係顯示取得自第13(a)圖所示之輸出信號的相對角度信號之波形圖，第13(c)圖係顯示來自第1磁感測器之輸出信號之波形圖，第13(d)圖係顯示取得自第13(c)圖所示之輸出信號的絕對角度信號之波形圖。
第14圖係顯示角度資料θ 1與角度資料θ 2之關係之波形圖。
第15圖係業已安裝有關第1實施形態之絕對編碼器裝置的馬達之構造圖。
第16圖係有關第2實施形態之絕對編碼器裝置之截面圖。
第17圖係第16圖所示之絕對編碼器裝置之平面圖。
第18圖係用以顯示第2實施形態中的第1磁圖案之永久磁石之透視圖。
第19(a)圖係顯示第1磁圖案為圓形狀時的磁場之立體圖，第19(b)圖係顯示第2磁圖案為環形狀時的磁場之立體圖。
第20(a)圖係有關其他實施形態之第2磁感測器之元件之結構圖，第20(b)圖係第20(a)圖所示之結構之等效電路圖。
第21圖係有關其他實施形態之第2磁感測器之結構圖。
第22(a)圖係有關另一其他實施形態之第2磁感測器之結構圖，第22(b)圖係第22(a)圖所示之結構之等效電路圖。
第23(a)圖係有關其他實施形態之第1磁感測器之結構圖，第23(b)圖係第23(a)圖所示之結構之等效電路圖。
第24(a)圖係有關另一其他實施形態之第1磁感測器之結構圖，第24(b)圖係第24(a)圖所示之感測器之電路圖。
第25圖係有關其他實施形態之永久磁石之透視圖。
第26圖係用以顯示旋轉軸與永久磁石之其他固定方法的永久磁石之截面圖。
用以實施發明之形態 〔第1實施形態〕
以下，藉由附圖，說明本發明之實施形態。第1圖係有關本發明第1實施形態之絕對編碼器裝置之截面圖，第2圖係俯視第1圖所示之編碼器裝置之平面圖。編碼器裝置1包含有：永久磁石4，係固定在旋轉軸2者；及基板8，係支持 第1磁感測器5、第2磁感測器6與信號處理電路7者。永久磁石4包含有：圓板狀之本體部11，係具有沿著周緣於下部側形成突條部之杯形狀者；及旋轉軸固定部12，係自本體部11上面中央部朝旋轉軸2側形成落差部而突出者。於本實施形態中，將旋轉軸2之前端，***業已設置於永久磁石4之旋轉軸固定部12之中心軸的凹部，並藉由壓接或接著，將永久磁石4固定在旋轉軸2。
基板8係單一基板，且為具有齊平地朝一方向延伸之平面8a的基板。第1及第2磁感測器5、6係固定在基板8之同一平面8a上。如第1圖所示，基板8係配置成與永久磁石4之下面側對向，以覆蓋永久磁石本體部11之杯形狀之凹部13。
於永久磁石4之本體部11之內側上面11a，沿著旋轉軸之旋轉方向朝下面側形成第1磁圖案14，且於本體部11之外周面，沿著圓周方向形成第2磁圖案16。第1磁感測器5係與第1磁圖案14對向而設置於基板8之一面8a上，以檢測來自第1磁圖案14之磁場，第2磁感測器6係與第2磁圖案16對向，且於永久磁石4之外周側具有一定間隔而設置於基板8之前述一面8a上，以檢測來自第2磁圖案16之磁場。於基板8之另一面則固定信號處理電路7。
第3圖係永久磁石4之立體圖。為了說明，於第3(a)圖中，僅顯示第1磁圖案14，且於第3(b)圖中，僅顯示第2磁圖案16。於第1圖所示之位置關係中，永久磁石4之本體部11係構成為於圓板之下面內側形成凹部13之杯形狀。於永久磁石4之內側中朝與軸向相交之方向延伸之面11a(於第1圖 所示之位置關係中為與基板8之凹部內側上面11a對向，即，於第3(a)圖所示之位置關係中為杯形狀之內側底面11a)，沿著旋轉方向形成由2極所構成的第1磁圖案14(參照第3(a)圖)，且於外周面11b，沿著圓周方向形成交互地將N極與S極依序地充磁由多極所構成的第2磁圖案16(參照第3(b)圖)。於該實施形態中，由樹脂磁石成形永久磁石4。依此，可輕易地形成本體部11之杯形狀與旋轉軸固定部12之結構。第1磁圖案14與第2磁圖案16係藉由面充磁而形成。所謂面充磁係僅於施行充磁之面使磁軛接近並充磁之方法。
第2磁圖案16係於永久磁石4之本體部外周面11b，將S極、N極於圓周方向交互地多極充磁而形成。本實施形態之充磁方法並非是在表裡充磁的雙面充磁，而是藉由僅將單面充磁的面充磁來進行。即，僅於本體部外周面11b進行面充磁，於界定凹部13之側面的本體部內周面則未充磁。藉由僅朝本體部外周面11b之面充磁而僅自本體部外周面11b產生磁場，自本體部內周面則未產生磁場。又，來自在本體部外周面11b進行面充磁的第2磁圖案16之磁場不易朝本體部11之凹部13漏洩。針對該點，於第4圖中，以曲線顯示藉由朝本體部外周面11b之面充磁而產生的樹脂磁石內部之反磁場。如第4圖所示，第2磁圖案16之反磁場係於永久磁石4之內部產生，因此，可減輕在外周面11b充磁的第2磁圖案16之磁場朝本體部11之杯形狀之內側漏洩。又，第1磁圖案14係藉由面充磁，形成於業已形成於永久磁石4之凹部 13之內側中朝與軸向相交之方向延伸之面11a上，而並非是永久磁石4之下面或上面。該面充磁亦與第2磁圖案16之面充磁相同，屬於僅將單面充磁的面充磁，且第1磁圖案14係僅於面11a上充磁。故，可減輕自第1磁圖案14朝本體部11之外側的漏磁場。依此，可構成以下結構，即：第1磁圖案14之漏磁場不會干涉到第2磁感測器6，且第2磁圖案16之漏磁場不會干涉到第1磁感測器5者。
永久磁石4之厚度可按照第1及第2磁感測器5、6之特性來調整。舉例言之，當第1磁感測器5需要更強磁力時，藉由將永久磁石4之厚度減薄而形成，可使第1磁感測器5與形成於永久磁石4之凹部內側的第1磁圖案14之距離接近，當第2磁感測器6需要更強磁力時，藉由將永久磁石4之厚度增厚而形成，可使永久磁石4之第2磁圖案16之充磁面積增加。
其次，說明各磁感測器5、6。第1磁感測器5係以下磁感測器，即：以可判別NS極之周期輸出相位不同之信號者。於本實施形態中，一例子係第1磁感測器5中使用SV-GMR型磁感測器。第5(a)圖係顯示構成第1磁感測器5的SV-GMR之感磁面區域(e1至e8)與固定層之磁化方向(m1至m8)之結構圖，第5(b)圖係顯示其等效電路之圖。如第5(a)圖所示，由感磁面區域e1及e2所構成的群組、由感磁面區域e5及e6所構成的群組、由感磁面區域e3及e4所構成的群組及由感磁面區域e7及e8所構成的群組係以90度間隔，配置於同一圓周上。
感磁面區域之電阻值變化係藉由下述(1)式來求取。
R=R0-△Rcos(θ-θ pin)………(1)
R0：未於SV-GMR施加外部磁場時的電阻值
△R：電阻值變化
θ：外部磁場之磁化方向(自由層之磁場方向)
θ pin：固定層之磁化方向
藉由將具有前述(1)式之電阻變化的感磁區域如第5(a)圖所示般配置，以與磁場周期相同之周期，可獲得能判別NS極且相位不同之信號。
該第1磁感測器5係檢測第1磁圖案14之磁場，且藉由一旋轉，將彼此呈90度相位不同之二相之正弦波信號輸出1周期份。該輸出無需複雜之運算處理，並構成絕對角度信號(絕對信號)。第1磁感測器5係按照外部磁場之強度而具有第6圖所示之輸出特性。第6(a)圖係相對於旋轉角，顯示第1磁感測器5之輸出，第6(b)圖係顯示第1磁感測器5之輸出之利薩如波形，第6(c)圖係顯示藉由反正切(Arctan)而將獲得自第1磁感測器5之位置資訊變換成角度的絕對角度信號。於第6(a)及6(b)圖中，以虛線表示當第1磁感測器5與第1磁圖案14彼此靠近時的輸出信號，並以實線表示當第1磁感測器5與第1磁圖案14遠離時的輸出信號。若第1磁感測器5與永久磁石4靠近，則施加於第1磁感測器5之磁場強度會增加，且二相之正弦波信號之峰至峰輸出(A1，B1)係同時地增加。若第1磁感測器5與永久磁石4遠離，則二相之正弦波信號之峰至峰輸出(A2，B2)會同時地減少。故，如第6(c)圖所示，即使旋轉軸2朝旋轉軸方向偏移，亦不會對藉由反 正切(Arctan)等之運算處理而獲得的絕對角度信號造成影響。
其次，說明第2磁感測器6。第7(a)圖係構成第2磁感測器6的元件之結構圖，第7(b)圖係第7(a)圖所示之結構之等效電路圖。如後述，第2磁感測器6係具有複數個第7(a)圖所示之元件。該元件係具有形成為縱向之格子狀且具有R1之電阻的磁電阻效應元件21與形成為橫向之格子狀且具有R2之電阻的磁電阻效應元件22串聯地接線之形狀，且磁電阻效應元件22之端部係與電極23連接。依此，相對於磁電阻效應元件21之延伸方向，磁電阻效應元件22之延伸方向係構成略呈垂直方向，因此，對磁電阻效應元件21賦予最大之電阻值變化的垂直方向之磁場會構成對磁電阻效應元件22賦予最小之電阻值變化的磁場。在此，磁電阻效應元件21、22之電阻值R1、R2係藉由下式來賦予。
R1=R0-△Rsin2 θ………(2)
R2=R0-△Rcos2 θ………(3)
來自等效電路之輸出Vout係藉由下式來賦予。
若將(2)、(3)式代入(4)式中並整理，則會成立下述(5)式。
〔數學式2〕
於第8圖中，以箭頭記號表示第2磁感測器6所檢測之磁場。於第8圖中，以箭頭記號表示自形成於永久磁石4之第2磁感測器6出走至外部之磁場。第9(a)圖係自永久磁石4之上面俯視第8圖所示之第2磁圖案16與磁場之關係圖，為了說明第2磁感測器6之檢測原理，與永久磁石4一同地將第7(a)圖所示之元件排列5個(元件6a至6e)而圖示。於第9(a)圖中，自第2磁圖案16呈圓弧狀延伸的細箭頭記號係表示自第8圖所示之第2磁圖案朝外部出走之磁場，於各元件6a至6e上圖示的粗箭頭記號係表示施加於各元件6a至6e之磁場。
如第9(a)圖所示，元件6a至6e係沿著第2磁圖案16配置成橫一列。若將元件6a之位置作成a，將元件6b之位置作成b，將元件6c之位置作成c，將元件6d之位置作成d，將元件6e之位置作成e，並將磁圖案1間距作成P，則位置b至e起自位置a之距離會分別構成位置b=P/4、位置c=P/2、位置d=3P/4、位置e=4P/4。若假設為永久磁石4於第9(a)圖中朝左旋轉，則各元件6a至6e之輸出信號係以磁圖案1間距構成1周期之輸出。於第9(a)圖所示之元件6a至6e與第2磁圖案16之位置關係中，第9(b)圖係顯示輸出自元件6a至6e之信號波形(另，為了說明，在輸出自各元件6a至6e之二相之輸出信 號中，僅圖示一者之輸出信號之波形)。
故，如第10圖所示，藉由將第2磁感測器6，作成具有4個配置於位置a至位置d之元件6a至6d的磁感測器，而可獲得自元件6a為cos，自元件6b為-sin，自元件6c為-cos，自元件6d為sin波形之信號。如參照第7(a)圖所說明，各元件6a至6d係由彼此之延伸方向約90度不同的2個磁電阻效應元件所構成，因此，若第2磁圖案16旋轉，則會自第2磁感測器6，以不判別NS極之周期輸出90度相位不同之二相之正弦波信號。
其次，說明第2磁感測器6與第2磁圖案16之位置關係。第11圖係圖示自編碼器裝置1之側面觀看的永久磁石4與第2磁感測器6之位置關係。由於永久磁石4係與旋轉軸2一同旋轉，因此，與支持第2感測器6之基板8之距離有時會變化。舉例言之，假想於第11(a)圖中，具有與基板8之距離g1的永久磁石4係朝遠離基板8之方向偏移，且如第11(b)圖所示，相對於基板8，移動至具有大於距離g1之距離g2之位置。此時，由於基板8係支持磁感測器6，因此，永久磁石4與磁感測器6之距離會變動。然而，如第11(a)、11(b)圖所示，由於來自第2磁圖案16之磁場係於垂直以外之下方產生，因此，永久磁石4與磁感測器6之距離變動不太會影響到第2磁感測器6之輸出。
又，永久磁石4與基板8間之距離可按照第1及第2磁感測器5、6之特性來調整。舉例言之，當第1磁感測器5、6需要更強磁力時，可縮短設定永久磁石4與基板8間之距離。
於本實施形態中，第1磁感測器5、6係藉由安裝機(mounter)，以機械方式安裝於基板8之同一平面8a上(參照第1圖)。在第1磁感測器5、6之安裝時，於基板8與第1磁感測器5、6間無需其他支持構件。
其次，說明信號處理電路7。在測定一旋轉內之微細間隔(角度)時，必須要有使用輸出自磁感測器5、6之正弦波狀信號之相位變化而將其空間周期更加細小化之內插處理。第12圖係顯示實行該內插處理的信號處理電路7之構造。信號處理電路7係一例子使用CPU來實現。第1磁感測器5之輸出與第2磁感測器6之輸出會輸入至信號處理電路7。第13(a)圖係顯示第2磁感測器6之輸出A2、B2之波形，第13(c)圖係顯示來自第1磁感測器5之輸出A1、B1。將第13(a)、13(c)圖所示具有90度相位之A相、B相信號分別以預定周期採樣，並藉由信號處理電路7之A/D變換部7a變換成數位信號。於本實施形態中，一例子係進行10位元(210)之A/D變換。
反正切運算部7b係自所獲得之數位信號，求取反正切(arctan)，藉此，算出根據來自第1感測器5之輸出的角度資料θ 1與根據來自第2感測器6之輸出的角度資料θ 2。第13(b)圖係顯示θ 2之輸出信號波形，第13(d)圖係顯示θ 1之輸出波形信號。絕對角度算出部7c係自角度資料θ 1與角度資料θ 2，算出旋轉軸2之絕對旋轉角度，並算出絕對角度資料θ。第14圖係顯示角度資料θ 1與角度資料θ 2之關係。假使第2磁圖案16為32極(25極)時，如第14圖所示，相對於來自第1磁感測器5之1周期份之輸出，自第2磁感測器6 會獲得32周期份之輸出。於本實施形態中，由於實行10位元之內插處理，因此，角度資料θ 2之1周期係對應於1024位元。故，絕對角度資料θ係自下述(6)式來求取。
θ=1024×(n-1)+θ 2………(6)
n：來自第2磁感測器6之輸出信號之周期
另，周期n係顯示來自第2磁感測器6之輸出信號之周期為第幾個，於本實施形態中，採用n=1至32之整數值。舉例言之，如第14圖所示，當角度資料θ 2為第2周期之值800時，會構成1024×(2-1)+800=1824，並獲得1824之值。角度資料θ 2之周期n可根據第1磁感測器角度，即，角度資料θ 1除以32之值來算出。依此，於本實施形態中，藉由使用32極(25極)之第2磁圖案16並進行10位元之內插處理，可獲得25×210=215之絕對角度信號。
如前述，本實施形態中的絕對編碼器裝置1係檢測由2極所構成的第1磁圖案14之磁場，以及由多極所構成的第2磁圖案16之磁場，且除了獲得自第1磁圖案14之絕對角度信號外，使用獲得自第2磁圖案16之相對角度信號，藉此，實現高解析力，且全體會構成高精度之編碼器裝置。
又，由於將第1及第2磁感測器5、6與信號處理電路7固定在單一基板8，因此，相較於為了支持磁感測器5、6與信號處理電路7而使用複數基板或其他支持構件者，組裝變得容易，同時亦可減低成本。除此之外，由於將永久磁石4作成杯形狀，且於永久磁石4之內側形成第1磁圖案14，並於永久磁石4之外周面形成第2磁圖案16，因此，可減輕因磁 圖案彼此之漏磁場所造成的干涉問題，且無需設置如磁屏般的額外構件。故，即使藉由該永久磁石4中的2種磁圖案14、16之配置關係，亦可達成組裝之容易化及成本減低。再者，藉由採用如前述般的永久磁石中的2種磁圖案14、16之配置關係，舉例言之，相較於將第1磁圖案14及第2磁圖案16皆形成於永久磁石4之外周面者等，可作成薄型之永久磁石，並可實現編碼器裝置1全體之小型化。又，配置成與第1磁圖案14對向的第1磁感測器5係於永久磁石4與基板8接近時，位於收納在永久磁石4之凹部13之位置關係，此亦有助於編碼器裝置1之小型化。
又，如前述，即使固定在旋轉軸2之永久磁石4朝軸向偏移，亦不會對第1及第2磁感測器5、6之輸出產生大幅影響。故，無需嚴密地進行永久磁石4與第1及第2磁感測器5、6之定位。除此之外，第1及第2磁感測器5、6與永久磁石4之位置關係之調整可藉由調整永久磁石4與固定有各感測器5、6的單一基板8a間之距離，或是調整永久磁石4之厚度，或者調整該兩者。故，無需為了前述位置關係之調整而變更第1及第2磁感測器5、6於單一基板8a之固定位置，且組裝作業會更加容易。
再者，於第1及第2磁感測器5、6朝單一基板8之安裝時，無需於基板8與磁感測器5、6間設置其他支持構件等而調整各磁感測器之位置。在調整第1及第2磁感測器5、6與永久磁石4之位置關係時，如前述，可調整永久磁石4與單一基板8間之距離或永久磁石4之厚度。依此，由於磁感測 器5、6無需透過其他構件而可直接固定在基板8，因此，可藉由安裝機(mounter)，將SOP(小輪廓包，Small Outline Package)或無引線包等之表面安裝零件以機械方式安裝於基板8之同一平面8a上。
依此，編碼器裝置1係構成可維持高解析力及高精度且組裝容易並可廉價地製造之絕對編碼器裝置。
第15圖係顯示前述第1實施形態中的旋轉軸2為馬達之驅動機構時的馬達及編碼器裝置1之構造。如第15圖所示，藉由將編碼器裝置1組裝在馬達30之旋轉軸2，可實現能檢測馬達之旋轉速度及旋轉軸位置之小型的具有絕對編碼器裝置之馬達。
〔第2實施形態〕
第16圖係有關本發明第2實施形態之絕對編碼器裝置之截面圖，第17圖係俯視第16圖所示之編碼器裝置之平面圖。於第16及17圖所示之編碼器裝置31中，與第1實施形態中的編碼器裝置1之構成要素對應之構成要素係附上與第1實施形態中的符號相同之符號。有關第2實施形態之編碼器裝置31係與有關第1實施形態之編碼器裝置1不同，具有旋轉軸2貫通基板8之結構。旋轉軸2之前端係通過業已形成於基板8之中心的貫通孔8b，並自永久磁石4之內側，***業已形成於旋轉軸固定部12之貫通孔12a，且藉由螺絲32，固定在永久磁石4。
第18圖係顯示編碼器裝置31中的第1磁圖案14之構造。第1磁圖案14係沿著***旋轉軸2之貫通孔12a而形成為 環狀。如第16及17圖所示，第1磁感測器5係避開貫通孔12a而配置於偏離旋轉軸2之軸線上之位置。第19(a)圖係顯示第1磁圖案之充磁面為圓形狀時的磁場，第19(b)圖係顯示第1磁圖案之充磁面為環形狀時的磁場。如第19圖所示，第1磁感測器5感磁所必須之水平磁場係擴展至充磁圖案之外側。故，即使將第1磁感測器5配置於偏離旋轉軸2之軸線上之位置，亦不會對第1磁感測器5之輸出有大幅影響。
除了旋轉軸2係貫通基板8及永久磁石4之內側之構造外，有關第2實施形態之編碼器裝置31係具有與有關第1實施形態之編碼器裝置1相同之構造。故，具有與有關第1實施形態之編碼器裝置1之前述優點相同之優點。
〔其他實施形態〕
以上說明本發明之實施形態，然而，本發明並不限於已述之實施形態，可根據本發明之技術思想，進行各種變形及變更。舉例言之，亦可將構成第2磁感測器6的元件6a至6d(參照第10圖)之各元件中的磁電阻效應元件21、22(參照第7圖)之延伸方向，如第20(a)圖所示般形成。於第20(a)圖所示之元件中，磁電阻效應元件41(電阻值R1)與磁電阻效應元件42(電阻值R2)係相對於假想中心線CL而分別具有約45度之角度並延伸，且磁電阻效應元件42之端部係與電極43連接。第20(b)圖係顯示對應於第20(a)圖所示之元件之構造的等效電路。由於磁電阻效應元件41與磁電阻效應元件42之延伸方向約90度不同，因此，與第7(a)圖所示之元件相同，自第20(a)圖所示之元件亦會輸出90度相位不同之正 弦波信號。第21圖係顯示由4個(46a至46d)第20圖所示之元件所構成的第2磁感測器46之構造。各元件46a至46d之配置位置係與第10圖所示之各元件6a至6d之配置位置相同。
又，第2磁感測器亦可採用第22圖所示之第2磁感測器56。第22(a)圖係顯示第2磁感測器56之結構，第22(b)圖係顯示其等效電路。如第22(a)圖所示，第2磁感測器56係將8個進行相位不同之輸出的磁電阻效應元件彼此呈45度旋轉而配置，且如第22(b)圖所示，具有2個分別具有4個磁電阻效應元件之全橋接電路。於藉由第22(a)圖所示之奇數號碼來特定的元件中，自其延伸方向彼此呈90度不同的3號與5號之元件會獲得cos之輸出，同樣地，自延伸方向彼此呈90度不同的1號與7號之元件會獲得-cos之輸出。4個偶數號之元件之感測器群係位於相對於4個奇數號之元件之感測器群而使全體旋轉45度之位置。故，自其延伸方向彼此呈90度不同的6號與8號之元件會獲得sin之輸出，同樣地，自延伸方向彼此呈90度不同的2號與4號之元件會獲得-sin之輸出。依此，由附上第22(b)圖所示之2號、4號、6號、8號之偶數號碼而特定之元件所構成的第1全橋接電路之輸出，以及由1號、3號、5號、7號之奇數號碼之元件所構成的第2全橋接電路之輸出係90度相位不同，因此，若第2磁圖案16旋轉，則與第2磁感測器6相同，自第2磁感測器56會輸出彼此呈90度相位不同之二相之正弦波信號。
於第2磁感測器56中，由於與第2磁圖案16之間距(P)無關地配置各磁電阻效應元件，因此，具有亦可應用在間距 (P)不同的第2磁圖案16之優點。
其次，說明第1磁感測器5之其他實施形態。第1磁感測器5亦可為第5(a)圖所示之磁化方向m5至m8與第5(a)圖所示之方向呈180度不同者，且亦可為磁化方向m1至m4與第5(a)圖所示之方向呈180度不同者，又，亦可為所有磁化方向m1至m8與第5(a)圖所示之方向呈180度不同者。
又，第1磁感測器亦可使用具有偏向磁石之AMR型磁感測器25。第23(a)圖係顯示AMR之感磁面區域(e1至e8)與偏向磁石之磁化方向(m1至m4)之AMR型磁感測器25之結構圖，第23(b)圖係顯示其等效電路之圖。如第23(a)圖所示，由感磁面區域e1及e2所構成的群組、由感磁面區域e5及e6所構成的群組、由感磁面區域e3及e4所構成的群組及由感磁面區域e7及e8所構成的群組係以90度間隔，配置於同一圓周上。該AMR型磁感測器25係利用自1個偏向磁石之磁極面之中心呈放射狀射出的不同之磁化方向。與第1磁感測器5相同，以與磁場周期相同之周期，亦可自第1磁感測器25獲得能判別NS極且相位不同之信號。
前述第1磁感測器5、25係藉由磁電阻效應元件所構成，然而，亦可藉由霍爾元件，構成第1磁感測器5。舉例言之，如第24(a)圖所示，將4個霍爾元件h1至h4以90度間隔配置於同一圓周上，藉此，構成第1磁感測器35。第24(b)圖係第24(a)圖所示之第1磁感測器35之電路圖。以與磁場周期相同之周期，亦可自第1磁感測器35獲得能判別NS極且相位不同之信號。
其次，第25圖係顯示永久磁石4之其他實施形態。第25圖所示之永久磁石4係具有業已固定在其杯形狀之內側面的環狀之磁性體50。藉由具有該磁性體50，永久磁石4係構成來自外部之雜散磁場強之結構。
又，第26圖係顯示永久磁石4與旋轉軸2之其他固定方法。如第26圖所示，於有關第1實施形態之永久磁石4中，亦可在其中心形成螺紋孔，並自永久磁石4之杯形狀之內側，藉由螺絲52而固定旋轉軸2。
1，31‧‧‧絕對編碼器裝置
2‧‧‧旋轉軸
4‧‧‧永久磁石
5，25，35‧‧‧第1磁感測器
6，46，56‧‧‧第2磁感測器
6a，6b，6c，6d，6e，46a，46b，46c，46d‧‧‧元件
7‧‧‧信號處理電路
7a‧‧‧A/D變換部
7b‧‧‧反正切運算部
7c‧‧‧絕對角度算出部
8‧‧‧基板
8a‧‧‧平面
8b，12a‧‧‧貫通孔
11‧‧‧永久磁石之本體部
11a‧‧‧本體部之內側底面
11b‧‧‧本體部之外周面
12‧‧‧永久磁石之旋轉軸固定部
13‧‧‧凹部
14‧‧‧第1磁圖案
16‧‧‧第2磁圖案
21，22，41，42‧‧‧磁電阻效應元件
23，43‧‧‧電極
25‧‧‧AMR型磁感測器
30‧‧‧馬達
32，52‧‧‧螺絲
50‧‧‧磁性體
a，b，c，d，e‧‧‧位置
CL‧‧‧假想中心線
e1，e2，e3，e4，e5，e6，e7，e8‧‧‧感磁面區域
g1，g2‧‧‧距離
h1，h2，h3，h4‧‧‧霍爾元件
m1，m2，m3，m4，m5，m6，m7，m8‧‧‧磁化方向
P‧‧‧間距
R1，R2‧‧‧電阻值
θ‧‧‧絕對角度資料
θ 1，θ 2‧‧‧角度資料
第1圖係有關第1實施形態之絕對編碼器裝置之截面圖。
第2圖係第1圖所示之絕對編碼器裝置之平面圖。
第3(a)圖係用以顯示有關第1實施形態之第1磁圖案的永久磁石之透視圖，第3(b)圖係用以顯示有關第1實施形態之第2磁圖案的永久磁石之立體圖。
第4圖係用以顯示磁石內部之反磁場的永久磁石之立體圖。
第5(a)圖係有關第1實施形態之第1磁感測器之結構圖，第5(b)圖係第5(a)圖所示之結構之等效電路圖。
第6(a)圖係相對於旋轉角，顯示第1磁感測器之輸出信號之波形圖，第6(b)圖係第1磁感測器之輸出信號之利薩如波形，第6(c)圖係顯示藉由反正切而自第1磁感測器之輸出信號獲得的角度值之圖表。
第7(a)圖係構成第2磁感測器的元件之結構圖，第7(b)圖係第7(a)圖所示之結構之等效電路圖。
第8圖係用以顯示第2磁感測器所檢測之磁場的永久磁石之立體圖。
第9(a)圖係用以說明第2磁感測器之檢測原理的永久磁石之平面圖，第9(b)圖係顯示第9(a)圖所示之各元件之輸出信號之波形圖。
第10圖係有關第1實施形態之第2磁感測器之結構圖。
第11(a)圖係顯示來自第2磁圖案之磁場與第2磁感測器之位置關係的絕對編碼器裝置之立體圖，第11(b)圖係顯示當第11(a)圖所示之永久磁石朝旋轉軸之軸向偏移時，來自第2磁圖案之磁場與第2磁感測器之位置關係的絕對編碼器裝置之立體圖。
第12圖係有關第1實施形態之信號處理電路之構造圖。
第13(a)圖係顯示來自第2磁感測器之輸出信號之波形圖，第13(b)圖係顯示取得自第13(a)圖所示之輸出信號的相對角度信號之波形圖，第13(c)圖係顯示來自第1磁感測器之輸出信號之波形圖，第13(d)圖係顯示取得自第13(c)圖所示之輸出信號的絕對角度信號之波形圖。
第14圖係顯示角度資料θ 1與角度資料θ 2之關係之波形圖。
第15圖係業已安裝有關第1實施形態之絕對編碼器裝置的馬達之構造圖。
第16圖係有關第2實施形態之絕對編碼器裝置之截面圖。
第17圖係第16圖所示之絕對編碼器裝置之平面圖。
第18圖係用以顯示第2實施形態中的第1磁圖案之永久 磁石之透視圖。
第19(a)圖係顯示第1磁圖案為圓形狀時的磁場之立體圖，第19(b)圖係顯示第2磁圖案為環形狀時的磁場之立體圖。
第20(a)圖係有關其他實施形態之第2磁感測器之元件之結構圖，第20(b)圖係第20(a)圖所示之結構之等效電路圖。
第21圖係有關其他實施形態之第2磁感測器之結構圖。
第22(a)圖係有關另一其他實施形態之第2磁感測器之結構圖，第22(b)圖係第22(a)圖所示之結構之等效電路圖。
第23(a)圖係有關其他實施形態之第1磁感測器之結構圖，第23(b)圖係第23(a)圖所示之結構之等效電路圖。
第24(a)圖係有關另一其他實施形態之第1磁感測器之結構圖，第24(b)圖係第24(a)圖所示之感測器之電路圖。
第25圖係有關其他實施形態之永久磁石之透視圖。
第26圖係用以顯示旋轉軸與永久磁石之其他固定方法的永久磁石之截面圖。
1‧‧‧絕對編碼器裝置
2‧‧‧旋轉軸
4‧‧‧永久磁石
5‧‧‧第1磁感測器
6‧‧‧第2磁感測器
7‧‧‧信號處理電路
8‧‧‧基板
8a‧‧‧平面
11‧‧‧本體部
11a‧‧‧本體部之內側底面
12‧‧‧永久磁石之旋轉軸固定部
13‧‧‧凹部
14‧‧‧第1磁圖案
16‧‧‧第2磁圖案

Claims (7)

  1. 一種絕對編碼器裝置，包含有：永久磁石，係具有由2極所構成的第1磁圖案及由多極所構成的第2磁圖案，並固定在旋轉軸者；第1磁感測器，係檢測前述第1磁圖案之磁場者；第2磁感測器，係檢測前述第2磁圖案之磁場者；信號處理電路，係自前述第1磁感測器之輸出信號，取得顯示前述旋轉軸之絕對角度位置的絕對角度信號，並自前述第2磁感測器之輸出信號取得顯示前述旋轉軸之相對角度位置的相對角度信號，且自前述絕對角度信號與前述相對角度信號，算出前述旋轉軸之絕對旋轉角度者；及單一基板，係配置成與前述永久磁石對向，並固定前述第1及第2磁感測器與前述信號處理電路者；又，前述第1磁圖案係於凹部內側中，在朝與軸向相交之方向延伸之面上，沿著旋轉方向將不同的極性充磁而形成，該凹部內側係形成於前述永久磁石之與前述單一基板對向之面上，且前述第2磁圖案係於前述永久磁石之外周面，沿著圓周方向將不同的極***互地充磁而形成，前述單一基板具有朝一方向延伸之齊平之平面，且前述第1及第2磁感測器為直接安裝於同一前述平面上的表面安裝零件。
  2. 如申請專利範圍第1項之絕對編碼器裝置，其中前述第 1磁感測器係構成為以可判別NS極之周期輸出相位不同之信號，前述第2磁感測器係構成為以不判別NS極之周期輸出相位不同之信號，又，按照前述第1及第2磁感測器之特性，選擇前述永久磁石與前述單一基板間之距離、及前述永久磁石之厚度。
  3. 如申請專利範圍第1項之絕對編碼器裝置，其中前述第1磁圖案係形成為圓形狀，且前述第1磁感測器係配置於前述旋轉軸之軸線上。
  4. 如申請專利範圍第1項之絕對編碼器裝置，其中前述第1磁圖案係形成為環狀，且前述第1磁感測器係配置於偏離前述旋轉軸之軸線上之位置。
  5. 如申請專利範圍第1項之絕對編碼器裝置，其中於前述永久磁石之內側具有環狀之磁性體。
  6. 如申請專利範圍第1項之絕對編碼器裝置，其中前述第1磁圖案及前述第2磁圖案係藉由面充磁而形成，前述第1磁感測器收納於前述凹部。
  7. 一種馬達，具有如申請專利範圍第1至6項中任一項之絕對編碼器裝置，且前述旋轉軸為馬達之驅動機構。
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